精餾塔前饋-反饋控制

1、目錄1. 前言 12. 總體方案設(shè)計(jì) 2.2.1 系統(tǒng)方案的論證 2.2.1.1 單回路控制系統(tǒng) 22.1.2 方案二：精餾段前饋反饋控制（以進(jìn)料量為前饋信號(hào)） 22.1.3 方案三：精餾段前饋反饋控制（以進(jìn)料量為前饋信號(hào)） 32.1.4 方案四：提餾段前饋反饋控制 32.2 方案的比較 3.2.3 方案的選擇 4.3. 精餾塔前饋 -反饋控制系統(tǒng) 5.3.1 前饋反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5.3.1.1 被控參數(shù)的選擇 5.3.1.2 控制變量的選擇 5.3.1.3 調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)方式的選擇 6.3.1.4 調(diào)節(jié)器正反作用的選擇 6.3.2 精餾塔前饋反饋控制系統(tǒng)的計(jì)算分析 8.3.2.1 前

2、饋反饋控制系統(tǒng)的分析 8.3.2.2 前饋反饋器的模型分析 9.3.3 前饋 - 反饋控制系統(tǒng)的工程整定 9.3.3.1 Kb 的整定 9.3.3.2 T1, T2 的整定1.13.3.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法 1.13.3.4 本次設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)器參數(shù)整定及結(jié)果 1.24. MATLAB系統(tǒng)仿真124.1 MATLAB 的簡(jiǎn)介124.2 Simulink 控制系統(tǒng)仿真 1.35. 設(shè)計(jì)總結(jié) 1.5.6. 致 1.6.參考資料 1.9./、八1.前言精餾是化工、 石油化工、煉油生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)傳熱過(guò)程。 精 餾的目的是利用混合液中各組分具有不同揮發(fā)度， 將各組分分離并達(dá)到規(guī)定的純 度要求

3、。精餾過(guò)程的實(shí)質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度， 即同一溫度 下各組分的蒸汽分壓不同， 使液相中輕組分轉(zhuǎn)移到氣相， 氣相中的重組分轉(zhuǎn)移到 液相，實(shí)現(xiàn)組分的分離。精餾過(guò)程通過(guò)精餾塔、 再沸器、 冷凝器等設(shè)備完成， 是實(shí)現(xiàn)混合物組分分離 的主要設(shè)備。精餾過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過(guò)程。表現(xiàn)為：過(guò)程變量多，被控變量多， 可操縱的變量也多；過(guò)程動(dòng)態(tài)和機(jī)理復(fù)雜，例如，非線性、時(shí)變、關(guān)聯(lián)；控制方 案多樣，例如，同一被控變量可以采用不同的控制方案， 控制方案的適應(yīng)面廣等。 因此，熟悉工藝過(guò)程和在特性，對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分重要。前饋控制是一種預(yù)測(cè)控制，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)的了解，預(yù)測(cè)出下 一階段系統(tǒng)的運(yùn)

4、行狀況。如果與參考值有偏差，那么就提前給出控制信號(hào)， 使干擾獲得補(bǔ)償，穩(wěn)定輸出，消除誤差。前饋的缺點(diǎn)是在使用時(shí)需要對(duì)系 統(tǒng)有精確的了解，只有了解了系統(tǒng)模型才能有針對(duì)性的給出預(yù)測(cè)補(bǔ)償。但 在實(shí)際工程中，并不是所有的干擾都是可測(cè)的，并不是所有的對(duì)象都是可 得到精確模型的，而且大多數(shù)控制對(duì)象在運(yùn)行的同時(shí)自身的結(jié)構(gòu)也在發(fā)生 變化。所以僅用前饋并不能達(dá)到良好的控制品質(zhì)。這時(shí)就需要加入反饋， 反饋的特點(diǎn)是根據(jù)偏差來(lái)決定控制輸入，不管對(duì)象的模型如何，也不管外 界的干擾如何，只要有偏差，就根據(jù)偏差進(jìn)行糾正，可以有效的消除穩(wěn)態(tài) 誤差。解決前饋不能控制的不可測(cè)干擾。前饋反饋綜合控制在結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)后，可以提高系統(tǒng)

5、響應(yīng)速度。 精餾塔的控制目標(biāo)是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，是回收率最高、能 耗最低，或使總收益最大，或總成本最小。精餾過(guò)程是在一定約束條件下進(jìn)行的。因此，精餾塔的控制要求可從質(zhì)量 指標(biāo)、產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗三方面考慮。本次設(shè)計(jì)打算采用前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行，通過(guò)與單回路系統(tǒng)仿真 運(yùn)行結(jié)果的比較，突出復(fù)合系統(tǒng)的優(yōu)越性。2. 總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)方案的論證2.1.1單回路控制系統(tǒng)干擾信號(hào)反饋通道圖2.1單回路系統(tǒng)控制框圖方案一為單回路控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中只有一個(gè)測(cè)量元件、一個(gè)控制器、一個(gè)調(diào)節(jié)閥和一個(gè)被控過(guò)程，并只對(duì)一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行單閉環(huán)反饋控制。2.1.2方案二：精餾段前饋一反饋控制（以進(jìn)料

6、量為前饋信號(hào)）圖2.2精餾段前饋一反饋控制I方案二是精餾塔精餾段溫度為被控變量、進(jìn)料量為前饋信號(hào)的相乘型前饋一 反饋控制系統(tǒng)2.1.3方案二：精餾段前饋一反饋控制（以進(jìn)料量為前饋信號(hào)）圖2.3精餾段前饋一反饋控制II方案三與方案二類似，均為精餾塔精餾段溫度為被控變量，進(jìn)料量為前饋信 號(hào)的相乘型前饋一反饋控制系統(tǒng)。2.1.4方案四：提餾段前饋一反饋控制圖2.4提餾段前饋一反饋控制方案四是精餾塔提餾段溫度為主被控變量、再沸器蒸汽流量為副被控變量的 串級(jí)控制系統(tǒng)和進(jìn)料量為前饋信號(hào)組成的相乘型前饋一反饋控制系統(tǒng)。2.2方案的比較方案一：采用單回路控制系統(tǒng)，其實(shí)際生產(chǎn)中具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、易于 調(diào)整等

7、優(yōu)點(diǎn)；但對(duì)于動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜、存在多種擾動(dòng)或擾動(dòng)幅度較大、控制要求較 高的系統(tǒng)則難以滿足要求。方案二：采用間接物料平衡控制， 該方案優(yōu)點(diǎn)是控制作用及時(shí)， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快， 對(duì)克服擾動(dòng)影響有利； 該控制方案的缺點(diǎn)是回流受外界溫度影響大， 能量和物料 平衡之間關(guān)聯(lián)大。方案三：采用直接物料平衡控制，優(yōu)點(diǎn)是物料和能量平衡之間關(guān)聯(lián)小，回流 在環(huán)境溫度變化時(shí)基本不變，產(chǎn)品不合格時(shí)不出料；缺點(diǎn)是控制回路的滯后大， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。方案四：從前饋原理角度看，反饋信號(hào)來(lái)自提餾段溫度，前饋信號(hào)來(lái)自進(jìn)料 流量，反饋信號(hào)和前饋信號(hào)進(jìn)行相乘運(yùn)算， 運(yùn)算結(jié)果作為再沸器加熱蒸汽流量控 制器的設(shè)定。 從比值控制原理角度看， 進(jìn)料流量與加

8、熱蒸汽量應(yīng)保持一定比值關(guān) 系，當(dāng)提餾段溫度有偏差時(shí)應(yīng)調(diào)整該比值。2.3 方案的選擇在精餾塔的控制過(guò)程中，所需考慮到的影響系統(tǒng)控制的參數(shù)比較多，且該生 產(chǎn)過(guò)程所要求的控制質(zhì)量也比較高， 故不能選擇單回路系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)。 再通 過(guò)對(duì)三種前饋反饋復(fù)合控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)的比較， 從實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的各種要求上 考慮，決定在本次課程設(shè)計(jì)中，選擇方案四進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。3. 精餾塔前饋 -反饋控制系統(tǒng)3.1 前饋反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1.1 被控參數(shù)的選擇生產(chǎn)中希望借助控制系統(tǒng)保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的參數(shù)稱為被控 參數(shù)，也稱為被控變量。 被控參數(shù)是控制方案設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)， 對(duì)控制系統(tǒng)能 否達(dá)到穩(wěn)定操作、

9、增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、節(jié)能降耗、改善勞動(dòng)條件、保證生產(chǎn)安 全等具有決定性意義、 關(guān)系到控制方案的成敗。 如果被控參數(shù)選擇不當(dāng)， 則不管 組成什么形式的控制系統(tǒng)， 也不管選用多么先進(jìn)的檢測(cè)控制設(shè)備， 均難以達(dá)到預(yù) 期的控制效果。精餾塔控制目標(biāo)是兩端的產(chǎn)品質(zhì)量， 直接檢測(cè)產(chǎn)品成分并進(jìn)行控制的方法因 成分分析儀表價(jià)格昂貴，維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜，采樣周期較長(zhǎng)，反應(yīng)緩慢，滯后大，可 靠性差等原因，而較少采用，絕大多數(shù)精餾塔的控制仍采用間接質(zhì)量指標(biāo)控制。此次設(shè)計(jì)中，從工藝合理性的角度考慮，選擇溫度作為被控參數(shù)；這是因?yàn)?在精餾過(guò)程中， 一般都要求塔壓力固定， 只有規(guī)定壓力下， 才能保證精餾塔的分 離純度和生產(chǎn)效率。

10、 塔壓固定， 精餾塔各層塔板上壓力穩(wěn)定， 各層塔板上的溫度 與組分之間可保持單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。 可見(jiàn)，固定壓力， 選擇溫度作為控制產(chǎn)品之類 的間接被控參數(shù)在工藝上是合理的。3.1.2 控制變量的選擇在控制系統(tǒng)中，把用來(lái)克服干擾對(duì)被控參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱 為控制變量（也稱操縱變量 ）。在有些生產(chǎn)過(guò)程中，影響被控參數(shù)的外部變量有 幾個(gè)，這些輸入變量中，有些允許控制，有些不允許控制。原則上，在考慮生產(chǎn) 過(guò)程特點(diǎn)和產(chǎn)品特點(diǎn)下， 要從所允許控制變量中盡可能地選擇一個(gè)對(duì)被控參數(shù)影 響顯著、 控制性能好的輸入變量作為控制變量。 從控制原理來(lái)的觀點(diǎn)來(lái)看， 從所 有允許控制的變量中選出一個(gè)作為控制變量，

11、 需要分析、比較不同的控制通道 （控 制變量對(duì)被控參數(shù)作用的通道） 和不同的擾動(dòng)通道 （擾動(dòng)量對(duì)被控參數(shù)的作用通 道）對(duì)系統(tǒng)特性和控制品質(zhì)的影響，作出合理的選擇。基于以上分析，可得出控制變量選取的一般原則：1）控制變量是可控的，2）控制變量一般比其它干擾對(duì)被控參數(shù)的影響靈敏。即工藝上允許調(diào)節(jié)的 變量。為此，應(yīng)通過(guò)合理選擇控制變量， 使控制通道的放大系數(shù)大、 時(shí)間常數(shù)小、 純滯后時(shí)間小。3）為使其他干擾對(duì)被控參數(shù)的影響減小、應(yīng)使干擾通道的放大系數(shù)小、時(shí) 間常盡可能大。4）被控過(guò)程存在多個(gè)時(shí)間常數(shù)，在選擇設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡量使時(shí)間常數(shù)錯(cuò)開(kāi)、 使其中一個(gè)時(shí)間常數(shù)比其他常大很多，同時(shí)注意減小其他時(shí)間常數(shù)。5

12、）在選擇變量時(shí)，除了從提高控制品質(zhì)的角度考慮外，還要考慮工藝的合 理性與生產(chǎn)效率及生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。在此次精餾塔前饋反饋復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，被控變量為被塔溫度，而蒸汽流量是干擾參數(shù)。 通過(guò)以上分析， 可選取物料流量來(lái)作為控制變量， 通過(guò)對(duì)物料 流量的控制，來(lái)穩(wěn)定被控變量，從而使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。3.1.3 調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)方式的選擇調(diào)節(jié)閥開(kāi)、關(guān)作用方式的選擇主要以不同生產(chǎn)條件下， 人員安全、 生產(chǎn)安全、 系統(tǒng)及設(shè)備安全的需要為首要依據(jù)。 當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障、 信號(hào)中斷里， 閥門處 于打開(kāi)位置危害性小， 則應(yīng)選擇氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥； 反之，若閥門處于關(guān)閉位置時(shí)危 害性小，則應(yīng)選用氣開(kāi)閥。本次設(shè)計(jì)中，從

13、安全角度考慮，應(yīng)選氣開(kāi)閥，Kz> 0。精餾段出料口控制閥選氣開(kāi)可防止蒸汽帶液輸出， 當(dāng)閥體失去壓力作用是， 閥應(yīng)處于全閉狀態(tài)。 該系 統(tǒng)以溫度作被控變量，選用的控制閥理想流量特性為等百分比流量特性。3.1.4 調(diào)節(jié)器正反作用的選擇調(diào)節(jié)器的選型與調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)有至關(guān)重要的影 響，也是過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心容之一。 調(diào)節(jié)器的輸出決定于被控參數(shù)的測(cè)量 值與設(shè)定值之差，被控參數(shù)的測(cè)量值與設(shè)定值變化， 對(duì)輸出的作用方向是相反的， 調(diào)節(jié)器的正反作用的定義是： 當(dāng)設(shè)定值不就時(shí)， 隨著測(cè)量值的增加， 調(diào)節(jié)器的輸 出增加，則稱為“正作用”方式；同樣，當(dāng)測(cè)量值不變，設(shè)定值減小時(shí)，調(diào)節(jié)

14、器 的輸出增加，稱為“正作用”方式。反之，如果測(cè)量值增加或設(shè)定值減小時(shí)，調(diào) 節(jié)器輸出減小，則稱為“反作用”方式。調(diào)節(jié)器正反作用方式的選擇是在調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)方式確定后進(jìn)行的，其確 定原則是使整個(gè)單回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。 若對(duì)控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)按照其工作特 性，定義一個(gè)表示其性質(zhì)的正（ +），負(fù)（ -）符號(hào)，則可根據(jù)組成控制系統(tǒng)各個(gè) 環(huán)節(jié)的正（ +），負(fù)（-）符號(hào)及回路構(gòu)成負(fù)反饋的根本要求，得出調(diào)節(jié)器的“正” “反”作用的選擇工式?？刂葡到y(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的正、負(fù)符號(hào)做如下規(guī)定：調(diào)節(jié)閥：氣開(kāi)式取“ +”，氣關(guān)式取負(fù)； 被控對(duì)像：若控制變量增加時(shí)，被控參數(shù)隨之增加取“+”；反之取“ -”；變送器：輸出信號(hào)

15、隨被測(cè)變量增加而增大，取“ +”；反之取“ -”； 調(diào)節(jié)器：測(cè)量輸入增加，調(diào)節(jié)器輸出增大（正作用）時(shí)取“ +”；測(cè)量輸入增 加，調(diào)節(jié)器輸出減?。ǚ醋饔茫r(shí)取“ -”；在傳感器、執(zhí)行器的符號(hào)確定的情況下，為了保證單回路控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反 饋系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的符號(hào)擇應(yīng)滿足單回路各個(gè)環(huán)節(jié)符號(hào)的乘積必須為“-”，即：調(diào)節(jié)器符號(hào)（ +或-）* 執(zhí)行器符號(hào)（ +或-）* 變送器符號(hào)（ +或-）* 被控過(guò)程符號(hào)(+或-)=“-”若其它三項(xiàng)已知時(shí)，則可以求出調(diào)節(jié)器的符號(hào)了。根據(jù)所求和的符號(hào)則可確 定其“正” “反”作用形式。在一般情況下，過(guò)程控制中變送器的符號(hào)都認(rèn)為是“ +”，則可以簡(jiǎn)化為：調(diào)節(jié)器符號(hào)(+或-)*執(zhí)

16、行器符號(hào)(+或-)*被控過(guò)程符號(hào)(+或-)=“-” 即:調(diào)節(jié)器符號(hào)為被控過(guò)程的符號(hào)與執(zhí)行器符號(hào)乘積的相反值。由此可知， 當(dāng)控制閥與被控過(guò)程符號(hào)相同時(shí)，控制器應(yīng)選擇“反作用”方式，反之，則選擇“正作用”方式。在上面已經(jīng)分析了調(diào)節(jié)閥為氣開(kāi)式，即為“正作用(+)”方式，而變送器一 般為“正作用(+)”方式，而被控過(guò)程的符號(hào)為“ +” 一一控制變量(物料流量) 增大，被控參數(shù)增大，按照上面的公式可知調(diào)節(jié)器應(yīng)選“反作用”。即當(dāng)被控參數(shù)增大時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)控制的反作用調(diào)節(jié)方式， 將控制信號(hào)送到蒸汽調(diào)節(jié)閥上，調(diào) 節(jié)閥門，使得其關(guān)小，從而減小物料流量的送入，使得塔溫度穩(wěn)定在某一定值， 從而使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定。3.2精

17、餾塔前饋一反饋控制系統(tǒng)的計(jì)算分析3.2.1前饋一反饋控制系統(tǒng)的分析在精餾塔前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)中，設(shè)定值 X(s)、干擾F(s)對(duì)輸出丫(s)的共同影響為Gc(s)Gv(s)G0(s)Gf(s) Go(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)3-11 Gc(s)Gv(s)Go(s)1 Gc(s)Gv(s)Go(s)要前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾丫(s)的完全補(bǔ)償，上式第二項(xiàng)應(yīng)當(dāng)為零，即3-2即3-3從而可得3-4從3-1中可知，由于反饋的存在，使干擾 F(s)對(duì)輸出的影響要比開(kāi)環(huán)前饋控 制的情況下小1+Gc(s)Gv(s)Go(s)倍。在系統(tǒng)的通頻帶，控制通道往往有很大的 放大倍數(shù)，即1 Gc s

18、Gv s Go s 13-53-5式表明，本來(lái)經(jīng)過(guò)開(kāi)環(huán)補(bǔ)償后，干擾F(s)對(duì)被控參數(shù)的影響已經(jīng)很小,再經(jīng)過(guò)反饋控制進(jìn)一步減小 1+Gc(s)G v(s)G 0(s) 倍，這充分體現(xiàn)了前饋 - 反饋控制 的優(yōu)越性。下面分析復(fù)合系統(tǒng)反饋回路的穩(wěn)定性。復(fù)合系統(tǒng)的特征方程為3-63-6 式表明，復(fù)合控制系統(tǒng)與按偏差控制的單回路控系統(tǒng)的特征方程是一樣 的，與前饋控制器 Gb(s)和擾動(dòng)環(huán)節(jié)Gm(s)無(wú)關(guān)，有沒(méi)有前饋補(bǔ)償并不影響閉環(huán) 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)復(fù)合控制系統(tǒng)時(shí)，可以根據(jù)閉環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行， 可暫不考慮前饋控制器的作用， 使系統(tǒng)滿足一定的穩(wěn)定性要求和一定的過(guò)渡過(guò)程 品質(zhì)要求； 然后，根據(jù)不變性

19、原理設(shè)計(jì)前饋控制器， 進(jìn)一步消除主要干擾對(duì)被參 數(shù)的影響； 最后，將設(shè)計(jì)的閉環(huán)系統(tǒng)和前饋系統(tǒng)組合起來(lái)， 就得到了需要的復(fù)合 控制系統(tǒng)?？偟脕?lái)說(shuō)， 相當(dāng)于單純的前饋控制或反饋控制， 復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、前饋控制與反饋控制組合使用， 有利于對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償和對(duì)其它 干擾進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，保證控制精度。2、由于增加了反饋控制回路， 降低了對(duì)前饋控制器的精度要求， 有利于簡(jiǎn)化 前饋控制器的設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。3、在單純的反饋控制系統(tǒng)中， 提高控制精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性是一對(duì)矛盾， 往往 為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因而在一定程度上解決穩(wěn)定性與控制精度之間的矛盾。3.2.2 前饋反饋器的模型分析由于在前饋控制基

20、礎(chǔ)上引入反饋回路構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)時(shí)， 已經(jīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)好 的前饋控制臺(tái)器可直接使用，并不需要再次設(shè)計(jì)。因此前饋 -反饋復(fù)合控制和前 饋控制都可以用一個(gè)通用模型來(lái)表示。按照不變性的條件，求得前饋控制器的傳遞函數(shù)的表達(dá)式，即3-7實(shí)際上，要得到干擾通道特性 Gf(s)、控制通道Go(s)的精確數(shù)學(xué)模型非常困 難，往往無(wú)法通過(guò)計(jì)算求得準(zhǔn)確的前饋控制模型。 實(shí)踐證明， 相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)過(guò) 程都具有過(guò)阻尼特性， 因此，常常將被控制過(guò)程的控制通道和擾動(dòng)通道用一階和 二階的容量滯后模型來(lái)近似， 必要時(shí)再串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)， 這樣就為前饋控制 器的模型具有了通用性創(chuàng)造了條件。假定控制通道的特性為：3-8 干擾通道的

21、特性為：3-9 則前饋控制器的模型可歸結(jié)為如下形式：Gb(s)KffseGf (s)TfS 1Go(s)Ko e osToS 1f sKf Tos1 e1XTiS1 sKb eKo Tfs 1 e -T2s13-103-10式中：Kb靜態(tài)前饋系數(shù)，Kb=Kf/Ko； T1=To,T2=Tf,分別為控制通道與干擾通道的時(shí)間常數(shù)，為干擾通道與控制通道純滯后時(shí)間之差，。當(dāng)時(shí)，上式可以寫(xiě)成3-11若T1=To=T2=Tf，則可寫(xiě)成3-12由上可見(jiàn)，常用的前饋控制有“”“”“”型三種。3.3前饋-反饋控制系統(tǒng)的工程整定前饋-反饋控制系統(tǒng)的投動(dòng)方式有兩種方法。其一，前饋和反饋回路分別投運(yùn)， 整定后再組合起

22、來(lái)；其二，將反控制部分先投運(yùn)，待整定后，再逐漸加入前饋?zhàn)?用。在整定前饋-反饋控制系統(tǒng)時(shí)，反饋回路的前饋控制部分要分別整定。也就 是說(shuō)，當(dāng)整定反饋回路時(shí)，只考慮反饋閉合回路具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕量， 而不考慮 前饋部分；當(dāng)整定前饋裝置時(shí)，不考慮反饋控制所引起的穩(wěn)定性問(wèn)題。 對(duì)于具體 的整定方法，現(xiàn)以常用的前饋裝置“”為例，介紹如何確定靜態(tài)參數(shù)Kb，動(dòng)態(tài)參數(shù)T1 和 T2。3.3.1 Kb 的整定靜態(tài)參數(shù)Kb是前饋模型中最基本的參數(shù)，它對(duì)前饋控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)影響 很大，首先應(yīng)將它束定好。其整定方法主要有開(kāi)環(huán)整定和閉環(huán)整定。1）開(kāi)環(huán)整定法所謂開(kāi)環(huán)整定法，是在系統(tǒng)作單純的靜態(tài)前饋運(yùn)行下施加干擾，Kb值由

23、小逐步增大時(shí)，址到被子控量回到設(shè)定值，此時(shí)，所對(duì)應(yīng)的Kb值更視為最佳整定值。 在進(jìn)行整定時(shí)，應(yīng)力求工況穩(wěn)定，以減小其它擾動(dòng)對(duì)被控量的影響，否則，Kb的整定值將有較大誤差。另外，由于系統(tǒng)是處于單純前饋運(yùn)行狀態(tài)， 在整定過(guò)程 中被控量推動(dòng)反饋控制。為了避免由于 Kb過(guò)大而導(dǎo)致被控時(shí)產(chǎn)生太大的偏差、 影響生產(chǎn)甚至發(fā)生事故，因此 Kb值應(yīng)由小逐步增大。由于這種方法容易影響生 產(chǎn)的正常進(jìn)行，因而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用越來(lái)越少了。2）閉環(huán)整定法設(shè)待定的系統(tǒng)原理框圖如圖所示?？梢宰屜到y(tǒng)處于前饋-反饋動(dòng)行狀態(tài)整定Kb，也可以讓系統(tǒng)處于反饋運(yùn)行狀態(tài)對(duì) Kb進(jìn)行整定CD前饋一反饋運(yùn)行狀態(tài)整定Kb閉合圖中開(kāi)關(guān)K，使系

24、統(tǒng)處于前饋一反饋運(yùn)行狀態(tài)。在反饋控制已整定好的 基礎(chǔ)上，施加相同的干擾作用，由小而逐步改變Kb的值，直到獲得滿意的補(bǔ)償過(guò)程。Kb值對(duì)補(bǔ)償過(guò)程的影響如圖3.2所示，圖中（b）曲線為Kb剛好適當(dāng)。如 此時(shí)的Kb值較小，將造成欠補(bǔ)償所示，如圖（a）所示，若Kb值過(guò)大則造成過(guò) 補(bǔ)償，如圖（c）所示。F(s)X(s)+圖3.1 Kb 閉環(huán)整定系統(tǒng)框圖abc圖3.2 Kb值對(duì)補(bǔ)償過(guò)程的影響反饋運(yùn)行狀態(tài)整定Kb打開(kāi)圖中的開(kāi)關(guān)K，使系統(tǒng)處于反饋運(yùn)行狀態(tài)。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，記下干 擾變送器的輸出電流IdO和反饋控制器的輸出穩(wěn)定值IcO。然后，對(duì)干擾d施加 一增加量厶d,待反饋控制系統(tǒng)在 d作用下，衩控量重新回到

25、設(shè)定值時(shí)，重新記 一干擾量變送器的輸出Id及反饋控制器的輸出Ic,則前饋控制器的靜態(tài)放大系 數(shù)Kb為：3-11 式子3-11的物理含義是十分明顯的。當(dāng)干擾量為 d時(shí)，由反饋控制器產(chǎn)生的校 正作用改變了（ Ic-IcO），才能使被控量回到設(shè)定值，如果用前饋控制器來(lái)校正， 那么Kb的值也必須滿足這一關(guān)系式。需指出，使用這種方法整定 Kb時(shí)，反饋控制器應(yīng)具有積分作用。否則，在干 擾作用下，無(wú)法消除被控時(shí)量的靜差。同時(shí)，要求工況穩(wěn)定，盡量地減少其他干 擾的影響。3.3.2 T1，T2 的整定前饋控制器動(dòng)態(tài)參數(shù)的整定要比靜態(tài)參數(shù)的整定要復(fù)雜的多。至今還沒(méi)有總 結(jié)出完整的工程方法， 仍停留在經(jīng)驗(yàn)工定性分析

26、階段。 這里僅優(yōu)做原則性的介紹。動(dòng)態(tài)參數(shù)決定了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償程度。當(dāng) T1>T2 時(shí)，前饋控制在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償過(guò)程中起 超前作用；當(dāng)TivT2時(shí)，起滯后作用；當(dāng)T仁T2時(shí)只有靜態(tài)前饋?zhàn)饔?。因此，?將Ti稱為超前時(shí)間，T2稱為滯后時(shí)間。根據(jù)校正作用在時(shí)間上是超前或滯后， 便可以決定Ti、T2的數(shù)值。當(dāng)Ti過(guò)大（T2過(guò)?。r(shí)，由于過(guò)補(bǔ)償而使過(guò)渡過(guò)程 曲線反向超調(diào)過(guò)高， 因此從生產(chǎn)安全角度出發(fā)， 前饋控制器的動(dòng)態(tài)參數(shù)束定應(yīng)從 欠補(bǔ)償開(kāi)始， 按照過(guò)渡過(guò)程曲線變化的趨勢(shì)， 逐次試湊逼近。 也可以在初次試驗(yàn) 時(shí)，取Ti/T2=2 （超前）或Ti/T2=0.5 （滯后）的數(shù)值進(jìn)行，施加干擾觀察補(bǔ)償過(guò) 程。首先調(diào)

27、整Ti或T2,使補(bǔ)償過(guò)程曲線達(dá)到上、下偏差面積相等，然后再調(diào)整 T1與T2的比值，直到獲得平坦的補(bǔ)償過(guò)程曲線為止。3.3.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法1）穩(wěn)定邊界法其要點(diǎn)是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用， 將系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行并將比例帶由大 到小改變， 直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。 這時(shí)控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)， 記下 此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶 K以及振蕩周期Tk，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì) 算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。2）衰減曲線法衰減曲線法是利用比例作用下產(chǎn)生的 4:1衰減振蕩（書(shū)=0.75）過(guò)程時(shí)的調(diào)節(jié) 器比例帶S s及過(guò)程衰減周期Ts，或10:1衰減振蕩（書(shū)=0.9）過(guò)程時(shí)調(diào)節(jié)器比例 帶S s及過(guò)程上升時(shí)間

28、Tr，據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。3）響應(yīng)曲線法相應(yīng)曲線法是在系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)下， 作對(duì)象的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)， 根據(jù)記錄下 的階躍響應(yīng)曲線求取一組特征參數(shù) 、（無(wú)自平衡能力對(duì)象 ）或 、（ 有自平衡能力對(duì)象 ），再據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。4）經(jīng)驗(yàn)法 通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，人們總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)，稱之為經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法可以說(shuō)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)試湊的方法， 它首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)， 然 后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行， 待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)， 觀察調(diào)節(jié)過(guò)程； 如果過(guò) 渡過(guò)程不令人滿意，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程；反 復(fù)上述試驗(yàn)，直到調(diào)節(jié)過(guò)程滿意為止。3.3.4

29、本次設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)器參數(shù)整定及結(jié)果本次設(shè)計(jì)中，在進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定時(shí)，選用了經(jīng)驗(yàn)法。首先取Kp=1、Ki=0.001、Kd=0.01,再通過(guò)matlab運(yùn)行仿真，觀察輸出結(jié)果， 再通過(guò)結(jié)果進(jìn)行不斷分析， 調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)， 再進(jìn)行新的仿真和觀察， 用湊試法 反復(fù)進(jìn)行調(diào)整,最終得到較好效果的調(diào)節(jié)器參數(shù)如下：Kp=0.04Ki=0.001Kd=0.054. MATLAB 系統(tǒng)仿真4.1 MATLAB的簡(jiǎn)介MATLAB 是一種面向科學(xué)與工程的高級(jí)語(yǔ)言,它集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和圖象處理等學(xué)科的處理功能與一體,具有極高的編程效率。MATLA是一個(gè)高度集成的系統(tǒng)，MATLAB!供的Simul

30、ink是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連續(xù)時(shí)間域、 離散時(shí)間域或都兩者的混合時(shí)間域里進(jìn)行建模，它同樣支持具有多種采樣速率的 系統(tǒng)。在過(guò)去幾年里，Simulink已經(jīng)成為教學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建 模時(shí)使用有最為廣泛的軟件包。4.2 Simuli nk 控制系統(tǒng)仿真如前所述，前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)仿真主要包括：系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)整定 和系統(tǒng)仿真等容。其中控制系統(tǒng)整所整定包括前饋系統(tǒng)整定和反饋控制系統(tǒng)整兩 部分。本設(shè)計(jì)采用前饋、反饋分別整定法。由題意知對(duì)象干擾通道傳函數(shù)為：4-1傳遞函數(shù)為：4-2所以，靜態(tài)前饋控制器系數(shù)為：程序框圖如下所示,

31、圖4.1前饋一反饋控制系統(tǒng)方框圖如圖4.1所示，精餾塔的前饋一反饋系統(tǒng)方框圖，包括了前饋和反饋兩個(gè)通 道，在MATLAB分別仿真單回路和前饋一反饋兩種情況，然后做比較，得出結(jié)單回路系統(tǒng)在MATLA中的仿真框圖和仿真結(jié)果分別如圖 4.2和4.3所示:圖4.2單回路系統(tǒng)框圖圖4.3單回路系統(tǒng)Simulink仿真結(jié)果利用系統(tǒng)模型構(gòu)建系統(tǒng)前饋-反饋控制Simulink框圖如圖4.3所示。仿真結(jié) 果如圖4.4所示。圖4.4前饋-反饋系統(tǒng)方框圖圖4.5前饋-反饋系統(tǒng)simulink仿真結(jié)果圖由以上兩個(gè)仿真結(jié)果的對(duì)比可知，采取前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)比單回路控 制系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。5. 設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)本次對(duì)精餾塔前